Når luften er elastisk

  • fagartikler

Strømningsproblemer kan simuleres numerisk med CFD (Computational Fluid Dynamics).

Men denne type programvare løser bare de generelle strømningsproblemene. Det er en rekke problemstillinger som ikke egner seg så godt for CFD. Et nytt programsystem er utviklet for effektivt å løse enkle strømningsproblemer, aeroelastistiske problemstillinger samt akustikk. Enkle strømningsproblemer er i denne sammenheng strømning som er virvelfri og hvor viskøse effekter er neglisjerbare.

Aeroelastisitet er et fenomen som gjelder den gjensidige kraftpåvirkningen mellom et strømmende kompressibelt medium og en svingende elastisk struktur. Et typisk eksempel er en flyvinge, hvor en variasjon av strømningen over vingen vil introdusere en forandret trykkfordeling som resulterer i en forandret deformasjon av vingen som igjen resulterer i en variasjon av strømningen som igjen ... .

Dette samspillet (som også kalles Fluid-Struktur Interaksjon; "FSI") kan resultere i svingninger ("flagring" eller "flutter"). Det er derfor viktig å kunne finne om disse svingningene er tilstrekkelig dempet til at de ikke ødelegger vingen. Liknende fenomen finnes ikke bare i forbindelse med fly, men også i andre sammenhenger.

Frontspoiler til en Formel 1-bil

Systemet som er undersøkt er et fjær-masse-dempersystem hvor delene består av dekk, hjuloppheng, frontspoiler og luft. A

t de tre første komponentene bidrar til systemet er innlysende, at luften bidrar med fjærstivhet, medsvingende masse og demping er ikke fullt så åpenbart.

Bakgrunnen for undersøkelsen var at en av Ferraris Formel 1-biler hadde vist tendenser til instabilitet ved en viss hastighet. Diagrammene som ble fremtatt viste at en instabilitet var å forvente ved en bestemt hastighet.

Svingninger av vifteblader

Et mindre eksotisk eksempel er stabilitetsundersøkelser av bladene på en vifte. Det er to grunner til at det er ønskelig at bladene på en vifte svinger (vibrerer) så lite som mulig.

En grunn er at man ønsker et så lavt støynivå som mulig, en annen er at man ønsker å unngå utmatting av materialet og det derpå følgende brudd.

I simuleringen var strømningshastigheten av luften gjennom viften ca. 200 meter i sekundet. Dette viste seg å ha en meget stor innflytelse på svingeforholdene til bladene. Faktisk var den beregnede innflytelsen så stor at man besluttet seg til å foreta målinger, disse viste seg å stemme meget godt med beregningene. Videre beregninger resulterte i en rekke forbedringsforslag til konstruksjonen.

Programvaren som er benyttet er Linflow koblet med Ansys. Linflow løser den strømningstekniske og aeroelastiske (eventuelt også den akustiske) delen av oppgaven, Ansys den strukturelle.

Linflow er basert på "Boundary Elements", noe som gjør at man ikke trenger å modellere mediet som strømmer, men bare overflaten til de strukturer som grenser til mediet. Konseptet gjør at programmet kjører meget raskt.

De ovenstående beregningene tar bare noen få timer på en rask PC. Beregningene hadde vært praktisk umulig å gjennomføre med en generell strømningsløser på grunn av regnetid og - enda viktigere - på grunn av den kunstige (numeriske) dempningen forbundet med slike løsere og de derav følgende unøyaktigheter.